Elektripotentsiaali mõiste on elektrostaatika ja elektrodünaamika teooria üks olulisi aluseid. Selle olemuse mõistmine on nende füüsika osade edasise uurimise eeltingimus.
Sisu
Mis on elektripotentsiaal
Olgu statsionaarse laengu Q loodud väljale paigutatud ühiklaeng q, millel on Coulombi jõud F=k*Qq/r.
Edaspidi k=((1/4)*π* ε* ε), kus ε0 — on elektriline konstant (8,85*10-12 F/m) ja ε keskkonna dielektriline konstant.
Tutvustas tasu selle jõu toimel saab liikuda ja jõud teeb natuke tööd. See tähendab, et kahe laengu süsteemil on potentsiaalne energia, mis sõltub mõlema laengu suurusest ja nendevahelisest kaugusest ning selle potentsiaalse energia väärtus ei sõltu laengu q suurusest. Siin tutvustatakse elektripotentsiaali määratlust: see võrdub välja potentsiaalse energia ja laengu suuruse suhtega:
φ = W/q,
kus W on laengute süsteemi tekitatud välja potentsiaalne energia ja potentsiaal on väljale iseloomulik energia. Laengu q liigutamiseks elektriväljas teatud vahemaa jooksul on vaja kulutada veidi tööd, et ületada Coulombi jõud.Punkti potentsiaal on võrdne tööga, mis kulub ühiklaengu liigutamiseks sellest punktist lõpmatuseni. Tuleb märkida, et:
- see töö võrdub laengu potentsiaalse energia kaoga (A = W2-W1);
- töö ei sõltu laengu trajektoorist.
SI-süsteemis on potentsiaali ühikuks üks volt (venekeelses kirjanduses tähistatakse V-ga, väliskirjanduses V-ga). 1 V=1J/1 Kl, st saame rääkida 1 Voldise punkti potentsiaalist, kui 1 Kl laengu lõpmatusse viimiseks kulub 1 džauli töö. Nimi valiti Itaalia füüsiku Alessandro Volta auks, kes andis olulise panuse elektrotehnika arengusse.
Et visualiseerida, mis on potentsiaal, võib seda võrrelda kahe keha temperatuuriga või ruumi erinevates punktides mõõdetud temperatuuriga. Temperatuur on objektide kuumenemise mõõt ja potentsiaal on elektrilaengu mõõt. Väidetavalt on üks keha rohkem kuumenenud kui teine, samuti võib öelda, et üks keha on rohkem laetud ja teine vähem laetud. Nendel kehadel on erinev potentsiaal.
Potentsiaali väärtus sõltub koordinaatsüsteemi valikust, seega tuleb mingi tase võtta nulliks. Temperatuuri mõõtmisel võib võrdluspiiriks võtta näiteks jää sulamise temperatuuri. Potentsiaali puhul võetakse tavaliselt lõpmata kauge punkti potentsiaal nulliks, kuid mõne probleemi puhul võib nulliks võtta maa potentsiaali või näiteks kondensaatori ühe kaane potentsiaali.
Potentsiaalide omadused
Potentsiaali oluliste omaduste hulgas on järgmised:
- kui väli luuakse mitme laenguga, on potentsiaal konkreetses punktis võrdne iga laengu poolt tekitatud potentsiaalide algebralise summaga (võtes arvesse laengu märki) φ=φ1+φ2+φ3+φ4+φ5+...+φn;
- kui kaugused laengutest on sellised, et laenguid endid võib pidada punktilaadseteks, siis kogupotentsiaal arvutatakse valemiga φ=k*(q1/r1+q2/r2+q3/r3+...+qn/rn), kus r on kaugus vastavast laengust kõnealuse punktini.
Kui välja moodustab elektridipool (kaks ühendatud vastasmärgiga laengut), on potentsiaal dipoolist kaugusel r asuvas punktis võrdne φ=k*p*cosά/r2, kus:
- p on dipooli elektriline õlg, võrdne q*l-ga, kus l on laengute vaheline kaugus;
- r on dipooli kaugus;
- ά on nurk dipooli haru ja raadiusvektori r vahel.
Kui punkt asub dipoolteljel, siis cosά=1 ja φ=k*p/r2.
Potentsiaalne erinevus
Kui kahel punktil on teatud potentsiaal ja kui need ei ole võrdsed, siis öeldakse, et kahe punkti vahel on potentsiaalide erinevus. Punktide vahel ilmneb potentsiaalne erinevus:
- mille potentsiaali määravad erineva märgiga laengud;
- mis tahes märgi laengu potentsiaaliga punkt ja nullpotentsiaaliga punkt;
- punktid, millel on võrdusmärgi potentsiaal, kuid erinevad mooduli poolest.
See tähendab, et potentsiaalide erinevus ei sõltu koordinaatsüsteemi valikust. Võime tuua analoogia veebasseinidega, mis asuvad nullmärgi (nt merepinna) suhtes erinevatel kõrgustel.
Iga basseini veel on teatud potentsiaalne energia, kuid kui ühendada kaks suvalist basseini toruga, siis igas neist toimub veevool, mille voolu ei määra mitte ainult toru suurus, aga ka Maa gravitatsioonivälja potentsiaalsete energiate erinevuse (ehk kõrguste erinevuse) kaudu. Potentsiaalsete energiate absoluutväärtus ei oma sel juhul tähtsust.
Samamoodi, kui ühendate juhi kahe erineva potentsiaaliga punktiga, kannab see edasi elektrivoolei määra mitte ainult juhi takistus, vaid ka potentsiaalide erinevus (kuid mitte nende absoluutväärtus). Vee analoogiaga jätkates võib öelda, et ülemises basseinis saab vesi peagi otsa ja kui pole jõudu vee tagasi üles liigutamiseks (näiteks pump), peatub vool väga kiiresti.
Elektriahelas on samamoodi: potentsiaalide erinevuse hoidmiseks teatud tasemel on vaja jõudu, mis kannab laengud (õigemini laengukandjad) suurima potentsiaaliga punkti. Seda jõudu nimetatakse elektromotoorjõuks ja selle lühend on EMF. EMF võib olla erineva iseloomuga - elektrokeemiline, elektromagnetiline jne.
Praktikas on oluline peamiselt potentsiaalne erinevus laengukandjate trajektoori algus- ja lõpp-punkti vahel. Sel juhul nimetatakse seda erinevust pingeks ja SI-s mõõdetakse seda ka voltides. 1 V pingest saab rääkida siis, kui väli teeb 1 Coulombi suuruse laengu liigutamisel ühest punktist teise 1 džauli, st 1V=1J/1KL ja J/KL võib olla ka potentsiaalne erinevus.
Ekvipotentsiaalpinnad
Kui mitme punkti potentsiaal on sama ja need punktid moodustavad pinna, nimetatakse sellist pinda ekvipotentsiaaliks. Näiteks keral, mis on ümbritsetud ümber elektrilaengu, on see omadus, kuna elektriväli väheneb kauguse suurenedes igas suunas võrdselt.
Kõigil selle pinna punktidel on sama potentsiaalne energia, nii et sellisel sfääril laengu liigutamisel ei kulutata mingit tööd. Mitme laenguga süsteemide ekvipotentsiaalpinnad on keerulisema kujuga, kuid neil on üks huvitav omadus: nad ei ristu kunagi. Elektrivälja jõujooned on alati risti sama potentsiaaliga pindadega nende igas punktis. Kui potentsiaaliühtlustuspind lõigatakse tasapinnaga, saate võrdsete potentsiaalidega rea.Sellel on samad omadused kui potentsiaaliühtlustuspinnal. Praktikas on näiteks elektrostaatilisse välja asetatud juhi pinnal olevad punktid võrdse potentsiaaliga.
Kui olete potentsiaali ja potentsiaalide erinevuse mõistest aru saanud, võite hakata edasi uurima elektrilisi nähtusi. Kuid mitte varem, sest ilma põhiprintsiipide ja -kontseptsioonide mõistmiseta pole teadmiste süvendamine võimalik.
Seotud artiklid:
